Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp mô hình nội kết hợp mạng neural network

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THANH TÂM

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƢƠNG
PHÁP MƠ HÌNH NỘI KẾT HỢP MẠNG NEURAL NETWORK
Chun ngành : .TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. TRỊNH HOÀNG HƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . ...
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................

5. ..............................................................


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THANH TÂM

MSHV:11156071

Ngày, tháng, năm sinh: 02.10.1988

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Tự động hóa .......................................... Mã số : 605260
I. TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA DÙNG
PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH NỘI KẾT HỢP VỚI MẠNG NEURAL
NETWORK
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Điều khiển tốc độ, từ thông động cơ không đồng bộ ba pha, kết hợp thay thế
mơ hình thuận và ngƣợc bằng neural network, thực nghiệm điều khiển bằng
DSPACE 1104.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

/

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

/ 2013 ...................................................
/

/ 2013 .................................

V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. TRỊNH HOÀNG HƠN ............................................
.............................................................................................................................................
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc só là đề tài hoàn chỉnh cuối cùng tôi đang thực hiện
trước khi hoàn thành chương trình thạc só. Kết quả này có được bằng chính nỗ
lực học tập, nghiên cứu không ngừng của bản thân trong suốt thời gian học
tập tại trường dưới sự hướng dẫn, giảng dạy của Thầy Cô.
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Cô Khoa

Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tận
tình giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm q báu
trong suốt thời gian học tập tại vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô bộ môn Thiết Bị Điện và bộ môn
Điều Khiển Tự Động đã hỗ trợ các phương tiện và tạo mọi điều kiện để tôi
thực hiện luận văn thạc só này.
Lòng cảm ơn chân thành xin gởi đến Thầy TS. Trịnh Hồng Hơn,
người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành đề tài này.
Xin kính gửi đến cha mẹ và những người thân lòng biết ơn vô hạn vì sự
động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt để cho tôi đạt được kết quả
hôm nay.
Chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Ngọc Tú cùng các anh chị, đồng
nghiệp và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn
thành luận văn này.
Một lần nữa xin gửi đến Thầy Cô, gia đình và bạn bè lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất.

Học viên
Nguyễn Thanh Tâm


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bày phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba
pha bằng phƣơng pháp mơ hình nội, có sự kết hợp với mạng neural
network. Trong đó, mạng neuron thay thế cho mơ hình thuận và mơ hình
ngƣợc của bộ điều khiển dùng mơ hình nội. Kết quả mơ phỏng trên máy
tính và thực nghiệm với DSPACE 1104 cho kết quả tốt, bộ điều khiển ổn
định khi các thông số động cơ thay đổi (điện trở, điện cảm, moment quán
tính thay đổi....)

Abstract — The paper presents a method for controlling induction
motor using internal model control (IMC) approach combine with Neural
network. The forward and inverse models are nonlinear in the rotor flux
coordinate and replaced by Neural network models. Simulation and
experiment results show that the control system has good performance and
robust against changes in motor parameters (rotor and stator resistances,
inductances, rotor inertia).


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, có sự hỗ trợ từ
giảng viên hƣớng dẫn chính là Thầy Trịnh Hồng Hơn. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn / luận án là trung thực, các tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn
trong luận văn
Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm

Tác giả

Nguyễn Thanh Tâm


Trang 105

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ . 2
1.1

Tổng quan: ............................................................................................................. 2

1.1.1

Động cơ khơng đồng bộ .................................................................................. 2

1.1.2

Tình hình nghiên cứu ...................................................................................... 3

1.1.3

Tính cấp thiết của ứng dụng ............................................................................ 3

1.3

Các phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ .......................................... 5

1.3.1

Phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng: ................................................................ 6

1.2.2

Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC)....................................... 6

1.2.4

Bảng so sánh các phƣơng pháp điều khiển: V/f, FOC, DTC ......................... 9

1.2.5

Phƣơng pháp điều khiển Sliding mode ......................................................... 11

1.3. Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phƣơng pháp dùng mô hình nội
(IMC) .............................................................................................................................. 11
1.3.1.

Ƣu khuyết điểm của phƣơng pháp điều khiển dùng mơ hình nội ................ 11

1.3.2

Cấu trúc chính của IMC:............................................................................... 12

1.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển động cơ dùng phƣơng pháp mơ hình nội đối với động
cơ khơng đồng bộ 3 pha .............................................................................................. 15
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ ............................. 17
2.1

Sơ đồ thực nghiệm ............................................................................................... 17

2.1.1

Sơ đồ nguyên lý đo điện trở stator ................................................................ 17

2.1.2

Đo không tải và ngắn mạch xác định thông số ............................................. 17

2.2

Số liệu đo đạc: ...................................................................................................... 18

2.3

Xử lý số liệu và tính tốn trên MATLAB ............................................................ 19

CHƢƠNG 3: MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG
PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH NỘI .................................................................................... 21
3.1

Mô phỏng động cơ trên hệ tọa độ stator. ............................................................. 21

3.2

Mô phỏng điều khiển động cơ bằng phƣơng pháp dùng mơ hình nội. ................ 33

3.2.1 Khối đối tƣợng điều khiển: ................................................................................ 33
3.2.2 Xây dựng khối mơ hình thuận: .......................................................................... 33


Trang 106
3.2.3 Xây dựng khối mơ hình ngƣợc: ......................................................................... 39
3.2.4 Xây dựng bộ lọc và các khối biến đổi: .............................................................. 43
3.3. Kết quả mô phỏng: .................................................................................................. 45
3.3.1 Thông số mô phỏng: .......................................................................................... 45
3.3.2 Đáp ứng của hệ thống ..................................................................................... 45
CHƢƠNG 4:

MẠNG NEURON VÀ HUẤN LUYỆN MẠNG.................................... 51

4.1

Tổng quan về mô hình mạng nơron ..................................................................... 51

4.2

Huấn luyện và xây dựng mạng nơron .................................................................. 55

4.3

Huấn luyện mạng cho bài toán điều khiển động cơ: ............................................ 63

4.3.1.

Dữ liệu huấn luyện mạng .............................................................................. 63

4.3.2

Thuật toán huấn luyện mạng ......................................................................... 63

4.3.3

Huấn luyện mạng và kết quả: ........................................................................ 63

CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG IMC KẾT HỢP VỚI
MẠNG NEURON ............................................................................................................. 73
5.1

Xây dựng mô hình bằng MATLAB/ Simulink .................................................... 73

6.1

Kết quả mơ phỏng: ............................................................................................... 74

CHƢƠNG 6: TỔNG QUAN VỀ DSPACE, CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN, ĐO LƢỜNG VÀ
CƠNG SUẤT .................................................................................................................... 81
6.1. Cấu hình phần cứng của DSPACE....................................................................... 81
6.2

Khối ADC: ........................................................................................................... 82

6.3

Khối DAC: ........................................................................................................... 83

6.4

Khối đọc xung tín hiệu từ encoder:...................................................................... 84

6.5.

Các khóa cơng suất và điều khiển: ....................................................................... 85

6.5.1

Khối IGBT: ................................................................................................... 85

6.5.2

Khối Nguồn DC: ........................................................................................... 86

6.5.3

Khối cấp nguồn ±15VDC: ............................................................................ 87

6.5.4

Khối đo dòng điện: ........................................................................................ 87

CHƢƠNG 7: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẲNG DSPACE 1104........ 88
7.1

Mơ hình điều khiển dùng dspace 1104: ............................................................... 88


Trang 107
7.2

Phần cứng:............................................................................................................ 91

7.3

Kết quả thực nghiệm: ........................................................................................... 92

CHƢƠNG 8: KẾT LUẬN ................................................................................................. 98
8.1 Đánh giá tính bền vững của hệ thống điều khiển ................................................. 98
8.2 Nhận xét hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha ............................ 98
8.3 Hướng phát triển và ứng dụng của đề tài .............................................................. 99
8.3.1 Hướng phát triển thuật toán điều khiển động cơ ............................................. 99
8.3.2 Hướng phát triển hệ thống điều khiển động cơ.............................................. 100

8.4 Hướng triển khai ứng dụng ................................................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 102


Trang 108

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 – Động cơ không đồng bộ ba pha và cấu tạo bên trong ...................................... 2
Hình 1. 2 - Các phƣơng pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ ...................................... 5
Hình 1. 3 - Điều khiển V/f là hằng số.................................................................................. 6
Hình 1. 4 – Mơ hình điều khiển FOC .................................................................................. 7
Hình 1. 5 – Mơ hình điều khiển DTC .................................................................................. 8
Hình 1. 6 - Điều khiển trƣợt cho động cơ không đồng bộ ba pha ..................................... 11
Hình 1. 7 – Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển dùng mơ hình nội .................................... 12
Hình 1. 8 - Phƣơng pháp mơ hình nội có bộ lọc .............................................................. 15
Hình 1. 9 - Hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ dùng mô hình nội. 15
Hình 1. 10 – Bộ biến đổi.................................................................................................... 16
Hình 1. 11 – Mơ hình thuận............................................................................................... 16
Hình 1. 12 – Mơ hình ngƣợc ............................................................................................. 16

Hình 2. 1 - Đo điện trở stator............................................................................................ 17
Hình 2. 2 - Đo thông số động cơ lúc không tải ................................................................. 18
Hình 2. 3 - Đo thơng số động cơ lúc ngắn mạch ............................................................... 18

Hình 3. 1 - Mơ hình tổng qt mơ phỏng động cơ ............................................................ 26
Hình 3. 2 –Chi tiết khối mơ phỏng động cơ ...................................................................... 27
Hình 3. 3 – Khối mơ phỏng dịng điện isα......................................................................... 27
Hình 3. 4 – Khối mơ phỏng dịng điện is......................................................................... 28
Hình 3. 5 – Khối mơ phỏng từ thơng ................................................................................. 28
Hình 3. 6 – Khối mô phỏng từ thông và tốc độ ................................................................. 29

Hình 3. 7 – Mơ hình mơ phỏng động cơ ........................................................................... 29
Hình 3. 8 – Đáp ứng dịng điện của động cơ 3 pha ........................................................... 30
Hình 3. 9 – Đáp ứng tốc độ khi không tải và khi đầy tải (rad/s) ....................................... 31
Hình 3. 10 – Đáp ứng moment của động cơ ...................................................................... 31
Hình 3. 11 – Đáp ứng từ thơng .......................................................................................... 32
Hình 3. 12 – Mơ hình mơ phỏng điều khiển dùng phƣơng pháp IMC .............................. 33
Hình 3. 13 – Tổng quan khối process ................................................................................ 33
Hình 3. 14 - Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ dq ............................................. 34
Hình 3. 15 – Khối process ................................................................................................. 37


Trang 109
Hình 3. 16 – Sơ đồ chi tiết khối mơ hình thuận................................................................. 38
Hình 3. 17 – Khối tính dịng điện trong hệ dq ................................................................... 38
Hình 3. 18. – Khối tính dịng điện trong hệ dq .................................................................. 39
Hình 3. 19 – Khối tính tốc độ trong hệ dq ......................................................................... 39
Hình 3. 20 – Sơ đồ chi tiết khối mơ hình ngƣợc ............................................................... 41
Hình 3. 21 - Equ – 2.36abe ................................................................................................ 42
Hình 3. 22 - Equ – 2.36c .................................................................................................... 42
Hình 3. 23 - Equ – 2.36d ................................................................................................... 42
Hình 3. 24 – Khối chuyển hệ tọa độ dq sang α ............................................................... 43
Hình 3. 25 – Bộ lọc IMC ................................................................................................... 44
Hình 3. 26 – Đáp ứng danh định hệ thống ........................................................................ 45
Hình 3. 27 – Đáp ứng hệ thống khi điện trở thay đổi (bằng 1.5 lần) ................................ 46
Hình 3. 28 - Đáp ứng hệ thống khi điện trở thay đổi (bằng 0.8 lần) ................................. 46
Hình 3. 29 - Đáp ứng hệ thống khi điện cảm thay đổi (bằng 1.2 lần) ............................... 47
Hình 3. 30 - Đáp ứng hệ thống khi điện cảm thay đổi (bằng 0.8 lần) ............................... 47
Hình 3. 32 - Đáp ứng hệ thống khi moment quán tính thay đổi (bằng 5 lần) ................... 48
Hình 3. 33 - Đáp ứng hệ thống khi tất cả thơng số thay đổi.............................................. 48

Hình 4. 1 - Cấu trúc của một nơron sinh học điển hình .................................................... 51
Hình 4. 2 - Nơron nhân tạo ................................................................................................ 52
Hình 4. 3 - Mạng tự kết hợp .............................................................................................. 53
Hình 4. 4 - Mạng kết hợp khác kiểu .................................................................................. 54
Hình 4. 5 - Mạng truyền thẳng .......................................................................................... 54
Hình 4. 6 - Mạng phản hồi................................................................................................. 55
Hình 4. 7 - Mạng MLP tổng quát ..................................................................................... 55
Hình 4. 8 - Mối liên hệ giữa sai số và kích thƣớc mẫu ..................................................... 58
Hình 4. 9 - Huấn luyện luân phiên trên hai tập mẫu ......................................................... 62
Hình 4. 10 - Mơ hình mơ phỏng lấy dữ liệu huấn luyện ................................................... 64
Hình 4. 11 – So sánh đáp ứng của mơ hình và ngõ ra neuron khi tải TL thay đổi ............ 65
Hình 4. 12 - So sánh đáp ứng mơ hình chính xác và mạng neuron khi điện trở thay đổi . 66
Hình 4. 13 - So sánh đáp ứng mơ hình chính xác mạng neuron khi điện cảm thay đổi .... 66
Hình 4. 14 - So sánh đáp ứng của mơ hình chính xác và mạng neuron khi J thay đổi .... 67
Hình 4. 15 - So sánh đáp ứng mơ hình chính xác, neuron khi tồn bộ thơng số thay đổi. 67
Hình 4. 16 - So sánh đáp ứng của mơ hình chính xác và mạng neuron khi tải thay đổi ... 69
Hình 4. 17 - So sánh đáp ứng mơ hình chính xác và mạng neuron khi điện trở thay đổi . 70
Hình 4. 18 - So sánh đáp ứng mơ hình chính xác và mạng neuron khi điện cảm thay đổi70


Trang 110
Hình 4. 19 - So sánh đáp ứng của mơ hình chính xác và mạng neuron khi J thay đổi .... 71
Hình 4. 20 - So sánh đáp ứng mơ hình chính xác và mạng neuron khi tồn bộ thơng số
thay đổi .............................................................................................................................. 71

Hình 5. 1 - Mơ hình mô phỏng điều khiển động cơ dùng phƣơng pháp mô hình nội kết
hợp neuron ......................................................................................................................... 73
Hình 5. 2 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi danh định ............................................. 74
Hình 5. 3 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện trở bằng 0.8 lần thiết kế ............... 75
Hình 5. 4 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện trở bằng 1.5 lần thiết kế ............... 76

Hình 5. 5 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện cảm bằng 0.8 lần thiết kế ............. 77
Hình 5. 6 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện cảm bằng 1.2 lần thiết kế ............. 77
Hình 5. 8 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi J bằng 5 lần thiết kế ............................. 78
Hình 5. 9 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi tất cả các thơng số thay đổi (tăng) ....... 79
Hình 5. 10 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi tất cả các thơng số thay đổi (giảm).... 79

Hình 6. 1 – Khối giao tiếp thiết bên ngoài của DSPACE 1104 ........................................ 81
Hình 6. 2 - Khối ADC trong DSPACE.............................................................................. 82
Hình 6. 3 - Vị trí các kênh ADC của bộ DSPACE ............................................................ 82
Hình 6. 4 - Khối DAC trong DSPACE.............................................................................. 83
Hình 6. 5 - Vị trí các kênh DAC của bộ DSPACE ............................................................ 83
Hình 6. 6 - Khối master setup (encoder) ........................................................................... 84
Hình 6. 7 - Khối ngõ ra encoder ........................................................................................ 84
Hình 6. 8 - Kết nối encoder với card DSPACE ................................................................. 85
Hình 6. 9 - Khóa cơng suất IGBT...................................................................................... 85
Hình 6. 10 - Nguồn chỉnh lƣu ba pha khơng điều khiển ................................................... 86
Hình 6. 11 - Bộ nguồn đơi 15VDC.................................................................................... 87
Hình 6. 12 - Khối đo dịng điện xoay chiều ba pha ........................................................... 87

Hình 7. 1 - Mơ hình mơ phỏng thời gian thực dùng phƣơng pháp IMC ........................... 88
Hình 7. 2 - Khối đọc tín hiệu dịng điện và ƣớc lƣợng từ thơng ....................................... 89
Hình 7. 3 - Khối đọc tín hiệu từ ecoder ............................................................................. 89
Hình 7. 4 – Bộ điều khiển động cơ .................................................................................... 90
Hình 7. 5 - Mơ hình điều khiển động cơ thời gian thực trên simulink .............................. 90
Hình 7. 6 – Kết nối phần cứng của động cơ ...................................................................... 91


Trang 111
Hình 7. 7 – Mạch chuyển mức tín hiệu từ 5V lên 15V ..................................................... 92
Hình 7. 8 – Tín hiệu từ thơng và tốc độ đặt ....................................................................... 92

Hình 7. 9 - Khối quan sát dòng điện trên các pha của động cơ ......................................... 93
Hình 7. 10 - Bảng điều khiển xây dựng trên Control desk ................................................ 94
Hình 7. 11 – Đáp ứng của động cơ khi tốc độ thay đổi, từ thơng khơng đổi .................... 95
Hình 7. 12 - Đáp ứng của động cơ khi tốc độ thay đổi, từ thơng khơng đổi ..................... 96
Hình 7. 13 - Đáp ứng của động cơ khi cả tốc độ, từ thông đều thay đổi........................... 97


Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, động cơ khơng đồng bộ ngày càng chứng tỏ ƣu thế của
mình trong các lĩnh vực cơng nghiệp, theo đó điều khiển động cơ khơng đồng bộ theo
hƣớng chính xác và chất lƣợng cao thu hút nhiều sự quan tâm chú ý. Tuy nhiên một vấn
đề quan trọng là động cơ không đồng bộ là hệ phi tuyến và thông số động cơ thay đổi
trong quá trình làm việc. Nhiều phƣơng pháp đƣợc đƣa ra để điều khiển động cơ, nhƣng
thƣờng nhạy cảm với sự thay đổi thông số động cơ. Một số phƣơng pháp có tính robust
cao, ít nhạy cảm với thơng số nhƣ phƣơng pháp mơ hình nội, nhƣng nhƣợc điểm của
phƣơng pháp này là khối lƣợng tính tốn lớn và phức tạp. Để giảm khối lƣợng tính tốn
này, ta phải ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại: Fuzzy, Neuron.... Do đó, yêu
cầu kết hợp các phƣơng pháp điều khiển hiện đại vào điều khiển để ứng dụng trong thực
tế là một yêu cầu cần thiết.
Với đề tài: “Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phƣơng pháp mơ
hình nội kết hợp với mạng neuron network”. Luận văn đƣợc trình bày gồm các chƣơng
sau:
o Chƣơng 1: Các phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
o Chƣơng 2: Thực nghiệm đo đạc thông số động cơ.
o Chƣơng 3: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phƣơng
pháp mơ hình nội
o Chƣơng 4: Mạng neuron và huấn luyện mạng cho bộ điều khiển
o Chƣơng 5: Mô phỏng điều khiển động cơ bằng imc kết hợp với mạng

neuron
o Chƣơng 6: Tổng quan về dspace, các khối điều khiển, đo lƣờng và công
suất.
o Chƣơng 7: Thực nghiệm điều khiển động cơ bằng dspace 1104
o Chƣơng 8: Kết luận.


Trang 2

CHƢƠNG 1:

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1 Tổng quan:
1.1.1 Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ sử dụng phổ biến trong cơng nghiệp, có
loại một pha và ba pha, động cơ một pha chủ yếu sử dụng trong dân dụng, trong các bộ
truyền động công nghiệp, ngƣời ta sử dụng động cơ ba pha.

Hình 1. 1 – Động cơ khơng đồng bộ ba pha và cấu tạo bên trong
Ƣu điểm chính của động cơ ba pha:
-

Khả năng quá tải lớn.

-

Hoạt động ở tốc độ thấp hoặc cao đƣợc điều chỉnh tƣơng đối dễ dàng

-

Kết cấu phần quay (rotor) chắc chắn: nhất là loại rotor lồng sóc.

-

Khơng phát sinh tia lửa điện nhƣ động cơ một chiều nên có thể hoạt động
trong mơi trƣờng u cầu về độ an tồn cao nhƣ: cháy nổ, xăng dầu....

-

Ít bảo trì bảo dƣỡng, bảo dƣỡng dễ dàng....


Trang 3
1.1.2 Tình hình nghiên cứu
Điều khiển động cơ khơng đồng bộ 3 pha về tốc độ và moment rất phức tạp do hệ
phƣơng trình mơ tả động cơ là hệ phi tuyến, thu hút nhiều sự quan tâm.
Trong những năm gần đây, có nhiều phƣơng pháp điều khiển tốc độ của động cơ
đƣợc đề nghị sử dụng và công bố trên các hội nghị khoa học, tạp chí trong nƣớc và trên
tạp chí IEEE, thu hút nhiều nhà khoa học tham gia.
Một số phƣơng pháp điều khiển động cơ đƣợc giới thiệu nhƣ sau:
-

Điều khiển động cơ bằng phƣơng pháp định hƣớng trƣờng.

-

Phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra (input – output linearization)

-

Phƣơng pháp điều khiển chế độ trƣợt (điều khiển trƣợt – non linear sling
mode)

-

Phƣơng pháp điều khiển dựa trên tính thụ động (passivity based control)

-

Phƣơng pháp điều khiển tồn phƣơng tuyến tính trạng thái (linear quadratic
state feedback).

-

.......

1.1.3 Tính cấp thiết của ứng dụng
Có nhiều phƣơng pháp đƣợc đề nghị sử dụng, nhƣng đƣợc áp dụng rộng rãi nhất là
phƣơng pháp định hƣớng trƣờng (FOC), phƣơng pháp này ngày càng hoàn thiện nhờ áp
dụng các tiến bộ của kỹ thuật xử lý trên máy tính và vi xử lý.
Tuy nhiên nhƣợc điễm chính của phƣơng pháp này là nhạy cảm với sự thay đổi
thông số của động cơ, thông số này ảnh hƣởng lớn đến đặc tính của bộ điều khiển, để
khắc phục cần phải có sự hỗ trợ từ các bộ điều khiển hiện đại nhƣ: Fuzzy, Neuron... trên
nền xử lý tốc độ cao.


Trang 4
Để khắc phục sự ảnh hƣởng của thông số lên bộ điều khiển, cũng có các phƣơng

pháp điều khiển khắc phục một phần tính bền vững (Robust) nhƣng thuật tốn tƣơng đối
phức tạp và các thơng số điều khiển khó xác định.
1.2 . Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
-

Tên đề tài: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phƣơng pháp mơ hình
nội kết hợp với mạng neuron network.

-

Nội dung:
o Xây dựng mơ hình điều khiển động cơ khơng đồng bộ bằng phƣơng pháp
dùng mơ hình nội.
o Kết hợp mạng neuron thay thế mơ hình thuận và mơ hình ngƣợc trong
phƣơng pháp điều khiển dùng mơ hình nội.
o Mơ phỏng kết quả điều khiển dùng phƣơng pháp mơ hình nội sử dụng
MATLAB/ Simulink.
o Mơ phỏng kết quả điều khiển động cơ dùng mơ hình nội kết hợp với mạng
neuron.
o Thực nghiệm điều khiển động cơ, chứng minh kết quả mô phỏng, sử dụng
card DSPACE 1104.
o So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng, rút ra kết luận.


Trang 5
1.3 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
Về cơ bản, các phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ đƣợc chia làm hai
loại:
-

Điều khiển vô hƣớng (scalar control).

-

Điều khiển vector (vector control).

Trong phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng: biên độ và tần số của không gian vector
điện áp, dịng điện và từ thơng liên kết đƣợc điều khiển.
Trong phƣơng pháp điều khiển vector: vị trí tức thời cũng nhƣ biên độ và tần số
của không gian vector điện áp, dịng điện, từ thơng móc vịng đều đƣợc kiểm soát.
Các phƣơng pháp điều khiển động cơ dựa theo tần số đƣợc liệt kê theo sơ đồ bên
dƣới. V/f là phƣơng pháp điều khiển vô hƣớng kinh điển nhất trong khi FOC (định hƣớng
trƣờng – Field Oriented Control) và DTC (điều khiển momen trực tiếp – Direct Torque
Control) là hai phƣơng pháp điều khiển vector phổ biến nhất và ngày càng phát triển nhờ
sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và vi tính.
Ngồi ra, cịn có một số phƣơng pháp điều khiển khác:

Hình 1. 2 - Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ


Trang 6
1.3.1 Phƣơng pháp điều khiển vơ hƣớng:

Hình 1. 3 - Điều khiển V/f là hằng số
Điều khiển vô hƣớng là phƣơng pháp điều khiển cổ điển và đơn giản nhất để điều
khiển ĐCKĐB 3 pha. Phƣơng pháp này tạo ra điện áp 3 pha có điện áp và tần số thay đổi
đƣợc và tỉ số điện áp/tần số đƣợc giữ là một hằng số để giữ cho từ thông khơng đổi khi
điều khiển, cịn đƣợc gọi là phƣơng pháp V/f.
Phƣơng trình biểu diễn nhƣ sau:
Vstator  E  Rstator .istator  E

E  4.44 fN  m 

E
  m  const
f

Phƣơng pháp này chỉ điều khiển điện áp và tần số, khơng điều khiển dịng điện,
thƣờng chỉ đƣợc dùng cho những ứng dụng khơng u cầu độ chính xác cao về đáp ứng
tốc độ, tải cố định ít thay đổi và thƣờng chỉ dùng để điều khiển vòng hở.
1.2.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC)
Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng đƣợc trình bày lần đầu bởi K.Hasse
(Indirect FOC) và F.Blaschke (Direct FOC) vào đầu những năm 70 của thế kỷ 20.


Trang 7
Ý tƣởng của phƣơng pháp này là nhằm biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện
một chiều kích từ độc lập trên phƣơng diện điều khiển.
Trong phƣơng pháp này các phƣơng trình tốn của ĐC đƣợc chuyển sang hệ trục tọa
độ từ thông rotor. Từ thông rotor và momen đƣợc điều khiển thơng qua điều khiển dịng
điện stator.

Hình 1. 4 – Mơ hình điều khiển FOC
Ưu điểm của điều khiển FOC:
-

Các đại lƣợng dòng stator trong hệ tọa độ từ thông rotor trở thành các đại lƣợng
một chiều và gần nhƣ không đổi.

-

Từ thông rotor và momen đƣợc điều khiển thơng qua điều khiển dịng điện stator.

-

Từ thơng và moment đƣợc điều khiển một cách độc lập.


Trang 8
Nhược điểm của điều khiển FOC:
-

Các phƣơng trình tính toán là tƣơng đối nhiều và sử dụng nhiều bộ thay đổi hệ trục
tọa độ.

-

Áp dụng thuật toán FOC để điều khiển ĐC cần một bộ xử lý trung tâm đủ nhanh
và mạnh để xử lý tính tốn, hồn thành chu kỳ tính tốn nhanh nhất để cho ra đáp
ứng tốt nhất, các vi xử lý thông thƣờng nhƣ 89C51, PIC16F, PIC18F khơng thể
đáp ứng tốc độ tính tốn này đƣợc.

-

u cầu thơng tin chính xác về các thơng số của ĐC, khi thông số của ĐC bị thay
đổi trong q trình hoạt động thì địi hỏi những giải thuật thích nghi phức tạp, nếu
khơng đáp ứng của ĐC sẽ khơng đạt u cầu.

1.2.3 Phƣơng pháp điều khiển DTC

Hình 1. 5 – Mơ hình điều khiển DTC

Trang 9
Phƣơng pháp này đƣợc phát triển lần đầu bởi I.Takahashi và T.Noguchi vào giữa
những năm 80 của thế kỷ 20. Phƣơng pháp này điều khiển trực tiếp từ thông stator và
momen bằng cách so sánh từ thông, momen ƣớc lƣợng với từ thơng stator, momen đặt
sau đó qua khâu so sánh trễ. Ngõ ra của khâu so sánh trễ là sai số từ thông stator, momen,
các giá trị này cùng với vị trí của từ thơng stator kết hợp lại với nhau thành bộ chọn lựa
điện áp điều khiển.
Ưu điểm của DTC:
-

Nhờ thuật toán đơn giản và đáp ứng nhanh, phƣơng pháp này ngày càng trở nên
phổ biến.

-

Vòng hồi tiếp bên trong của nó khơng phụ thuộc nhiều vào các thông số của ĐC,
đối với những ĐC mà ta không biết đƣợc thông số cụ thể, đây là phƣơng pháp phù
hợp để điều khiển.

Nhược điểm của DTC:
-

Tần số đóng cắt ngõ ra thay đổi chứ không cố định.

-

Đáp ứng momen sẽ gây ra hiên tƣợng đập mạch nếu bộ so sánh trễ có khoảng trễ
quá lớn.

1.2.4 Bảng so sánh các phƣơng pháp điều khiển: V/f, FOC, DTC
Phƣơng pháp

Ƣu điểm
- Sơ đồ và giải thuật rất đơn
giản.

Nhƣợc điểm
-

Khi điều khiển vịng

hở khơng kiểm sốt chính

- Khơng cần sử dụng các xác tốc độ.
V/f = const

cảm biến hồi tiếp dòng và
áp, tiết kiệm chi phí.

-

Chất lƣợng truyền

động thấp.
-

Bị ảnh hƣởng bởi sụt

áp nguồn và tải thay đổi làm


Trang 10
ảnh hƣởng đến từ thông và
momen ĐC.
- Tần số đóng ngắt khóa cố - Phải sử dụng nhiều phép

FOC

định.

biến đổi tƣơng quan.

- Tổn hao đóng ngắt thấp.

- Phƣơng trình tính tốn

- Có thể điều khiển độc lập tƣơng đối nhiều, địi hỏi vi
điều khiển có khả năng tính
từ thơng và momen.
- Đáp ứng không bị ảnh
hƣởng khi tải thay đổi.

tốn mạnh.
- Phụ thuộc rất nhiều vào
thơng số của ĐC.

- Hầu nhƣ khơng phụ thuộc - Tần số đóng ngắt linh kiện
vào thông số ĐC.

thay đổi khi không sử dụng

- Không cần phải sử dụng các giải thuật nâng cao.
các phép biến đổi tƣơng -u cầu tốc độ tình tốn và
quan.

tần số lấy mẫu cao.

- Cho đáp ứng rất nhanh, -Xảy ra hiện tƣợng đập
chất lƣợng truyền động rất mạch do momen có sự dao
DTC

tốt, hiệu suất điều khiển động khi điều khiển ở tốc
cao.
- Có thể điều khiển độc lập
từ thông và momen.
- Đáp ứng không bị ảnh
hƣởng khi tải thay đổi.
- Từ thông ĐC luôn đƣợc
giữ tối ƣu.

độ thấp.


Trang 11

1.2.5 Phƣơng pháp điều khiển Sliding mode
Điều khiển trƣợt là một phƣơng pháp điều khiển phi tuyến đơn giản hiệu quả. Tuy
nhiên để thiết kế thành phần điều khiển trƣợt cần phải biết rõ các thông số của mô hình

đối tƣợng cũng nhƣ các chặn trên của các thành phần bất định của mơ hình. Điều khiển
trƣợt có dạng hàm dấu và có hiện tƣợng chattering các trạng thái xung quanh mặt trƣợt.

Hình 1. 6 - Điều khiển trượt cho động cơ khơng đồng bộ ba pha
Ngồi ra, cịn có một số phƣơng pháp điểu khiển khác áp dụng cho động cơ khơng
đồng bộ đƣợc giới thiệu:
o Tuyến tính hóa vào ra
o Điều khiển dựa trên tính thụ động
o Điều khiển dựa vào phƣơng trình trạng thái.
o Điều khiển dùng phƣơng pháp mơ hình nội (IMC)
o .....
1.3. Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phƣơng pháp dùng mơ hình nội
(IMC)
1.3.1. Ƣu khuyết điểm của phƣơng pháp điều khiển dùng mơ hình nội
Ưu điểm:
o Thuật tốn đơn giản.


Trang 12
o Điều kiện ổn định nội và bền vững diễn tả bằng các hàm truyền đơn giản
nên dễ sử dụng trong thiết kế (Trong lĩnh vực điều khiển động cơ khơng
đồng bộ rotor lồng sóc, thơng số động cơ thay đổi theo thời gian và rất khó
xác định chính xác).
Khuyết điểm:
-

Dùng chủ yếu cho hệ tuyến tính

-

Chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ phi tuyến, đặc biệt là các hệ đa biến
(Multi-input multi output-MIMO).

1.3.2 Cấu trúc chính của IMC:

Hình 1. 7 – Cấu trúc phương pháp điều khiển dùng mơ hình nội
Trong đó:
P

: Đối tƣợng điều khiển

Pˆ

: Mô hình của đối tượng.

Q

: Bộ điều khiển (Mô hình ngược của Pˆ )

r(t)

: Các tín hiệu đặt (set points).

y(t)

: Các tín hiệu ngõ ra tƣơng ứng

d(t)

: Nhiễu tác động lên hệ thống.